Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Cây dừa (Cocos nucifera) là một trong những cây công nghiệp và cây ăn trái nhiệt đới có giá trị kinh tế quan trọng trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Theo thống kê của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAOSTAT), diện tích trồng dừa tập trung chủ yếu ở khu vực châu Á – Thái Bình Dương, trong đó Việt Nam nằm trong nhóm 10 quốc gia có diện tích và sản lượng dừa lớn. Tại Việt Nam, diện tích dừa đạt khoảng 144.000 ha, phân bố trọng điểm tại khu vực Duyên hải Miền Trung và Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), riêng ĐBSCL chiếm hơn 78% diện tích cả nước (khoảng 110.000 ha). Quả dừa không chỉ cung cấp nguồn dinh dưỡng dồi dào (glucose, fructose, khoáng chất Kali, Magie, Vitamin C) phục vụ tiêu dùng nội địa mà còn là mặt hàng nông sản xuất khẩu quan trọng dưới dạng nước dừa tươi, thạch dừa, cơm dừa sấy khô và các sản phẩm chế biến khác.
Trong chuỗi giá trị và quy trình sơ chế dừa tươi uống nước, công đoạn gọt bỏ lớp vỏ xơ bên ngoài để tạo hình thẩm mỹ, giảm thể tích vận chuyển và thuận tiện cho người tiêu dùng là một khâu thiết yếu nhưng chiếm nhiều thời gian. Trên thực tế, phương pháp gọt vỏ thủ công bằng dao truyền thống bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng: năng suất thấp, tiêu tốn nhiều nhân công, vết cắt không đồng đều và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động cao do thao tác chặt, gọt liên tục với lực lớn. Trước thực tiễn đó, việc cơ khí hóa và chế tạo thiết bị gọt vỏ dừa bán tự động nhằm nâng cao năng suất, giải phóng sức lao động thủ công và đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm là một yêu cầu kỹ thuật cấp thiết.
Đồ án tốt nghiệp xác lập các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:
- Khảo sát đặc tính sinh học, hình học (đường kính, chiều cao) và xác định cơ tính (lực cắt, độ dai vỏ dừa) của các giống dừa tươi phổ biến trên thị trường.
- Tổng hợp cơ sở lý thuyết về cắt gọt nông sản, lý thuyết cắt trượt của Goryachkin và mô hình lực cắt để xác định các thông số hình học tối ưu của lưỡi dao.
- Phân tích, so sánh các phương án cơ cấu công tác và lựa chọn phương án truyền động, điều khiển chạy dao phù hợp.
- Thiết kế, gia công chế tạo mô hình máy thử nghiệm nhằm kiểm chứng các thông số công nghệ (vận tốc quay, công suất động cơ, góc cắt, vật liệu làm dao).
- Tính toán động học, động lực học và chế tạo hoàn chỉnh máy gọt vỏ dừa tươi đạt năng suất thiết kế 30 trái/giờ với công suất động cơ $\le 5\text{ HP}$.
- Đối tượng nghiên cứu: Quả dừa tươi uống nước, trọng tâm là các giống dừa Xiêm xanh và dừa Xiêm đỏ.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Phạm vi không gian: Khảo sát kích thước và đặc tính thương phẩm tại cửa hàng kinh doanh dừa tươi chợ Thủ Đức (TP. Hồ Chí Minh); thực nghiệm rèn tôi vật liệu dao tại Lò rèn xã Suối Nghệ, huyện Châu Đức, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu; chế tạo và thử nghiệm tại Xưởng Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
- Phạm vi thời gian: Đồ án được thực hiện và hoàn thành nghiệm thu vào tháng 07 năm 2016.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án ứng dụng các lý thuyết cơ học cắt gọt nông sản và lý thuyết ma sát học chuyên ngành:
- Lý thuyết lực cắt rau củ quả của N.E. Reznik (1975): Lực cắt tới hạn được xác định theo mô hình $Q_{\text{th}} = P_t + c \cdot \cot\sigma$ (trong đó $c$ là hệ số thứ nguyên tính bằng $\text{N/cm}$, $P_t$ là lực cản cắt tính bằng $\text{N}$, $\sigma$ là góc mài của lưỡi dao). Mối quan hệ thực nghiệm giữa lực cản cắt và vận tốc dao cắt được biểu diễn qua phương trình $P_t = 75 \cdot v^{2,6} + 40$. Góc mài dao đối với các thiết bị thái củ quả thực phẩm thường nằm trong khoảng $\sigma = 18^\circ \div 25^\circ$.
- Lý thuyết cắt trượt của V.P. Goryachkin (Gơriaskin) và thực nghiệm của V.A. Ziablov: Phân tích vận tốc tuyệt đối $v$ của điểm tiếp xúc trên lưỡi dao thành hai thành phần: vận tốc pháp tuyến $v_n$ (dao ăn sâu vào vật) và vận tốc tiếp tuyến $v_t$ (chuyển động trượt dọc theo cạnh sắc). Góc trượt $\tau$ xác định bởi tỉ số $\tan\tau = v_t / v_n$. Quá trình cắt trượt hiệu quả thực sự diễn ra khi góc trượt vượt quá góc ma sát trượt ($\tau \ge \varphi'$), làm giảm lực cản cắt đáng kể. Theo nghiên cứu thực nghiệm của Ziablov, lực cắt giảm mạnh nhất khi góc trượt $\tau \ge 30^\circ$.
- Mô hình ứng suất cắt và áp suất riêng: Áp suất riêng tác dụng lên vật cắt được tính theo công thức $q = s \cdot \sigma_c$ (với $s$ là độ dày cạnh sắc của dao, $\sigma_c$ là ứng suất cắt của vật liệu). Đối với dao chế biến thực phẩm, độ sắc cạnh dao yêu cầu đạt $20 \div 40,\mu\text{m}$ và không được vượt quá $100,\mu\text{m}$. Góc cắt gọt tổng quát $\alpha = \beta + \sigma$ (hợp bởi góc đặt dao $\beta$ và góc mài dao $\sigma$).
Tác giả kết hợp các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật:
- Phương pháp khảo sát kích thước hình học: Đo đạc trực tiếp các kích thước đặc trưng (chiều cao, đường kính thân, bán kính cong đỉnh và đáy) của các mẫu dừa Xiêm xanh và dừa Xiêm đỏ.
- Phương pháp thực nghiệm xác định cơ tính: Dùng cân đo lực thực nghiệm để xác định tải trọng cắt cần thiết tác dụng lên từng lưỡi dao công tác (Dao 1 cắt hông, Dao 2 cắt đỉnh, Dao 3 gọt đáy).
- Phương pháp mô hình hóa 3D: Ứng dụng phần mềm SolidWorks 2014 để thiết kế các chi tiết máy, xuất bản vẽ kỹ thuật 2D/3D và mô phỏng động học lắp ráp các cụm cơ cấu.
- Phương pháp thực nghiệm từng bước: Chế tạo mô hình thử nghiệm ban đầu để sàng lọc thông số vòng quay, góc cắt và vật liệu dao, sau đó tối ưu hóa sang mô hình máy hoàn chỉnh.
Nguồn dữ liệu sử dụng:
- Số liệu thống kê diện tích, sản lượng dừa toàn cầu từ FAOSTAT (2012) và Tổng cục Thống kê Việt Nam (giai đoạn 2000 – 2010).
- Các giáo trình, sổ tay chuyên ngành: Máy cắt rau quả, Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí (Tập 1 - Trịnh Chất, Lê Văn Uyển).
- Dữ liệu thực nghiệm đo đạc mẫu dừa tại chợ Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống máy gọt vỏ dừa tươi được thiết kế theo nguyên lý bán tự động kết hợp truyền động quay định vị quả dừa và cơ cấu chạy dao tịnh tiến bằng tay gạt.
1. Kiến trúc tổng thể và nguyên lý vận hành
Máy bao gồm các cụm kết cấu chính:
- Khung máy: Kết cấu thép hộp CT3 hàn liên kết, chịu tải trọng toàn bộ hệ thống động cơ, hộp số và các trục dẫn hướng.
- Cụm dẫn động chính: Động cơ điện truyền mômen xoắn qua hộp giảm tốc đến trục chính, mang chấu định vị quả dừa.
- Cụm định vị dừa: Chấu định vị có các chốt phân bố đều, gá kẹp chặt vào cuống hoặc đáy quả dừa để truyền chuyển động quay tròn với tốc độ xác định.
- Cụm cơ cấu chạy dao: Gồm 3 cơ cấu dao riêng biệt chuyển động tịnh tiến nhờ hệ thống cần gạt và con trượt dẫn hướng:
- Dao 1 (cắt hông/thân dừa): Biên dạng cong dài, tịnh tiến dọc theo thân quả để bào lớp vỏ xơ trung quả bì.
- Dao 2 (cắt đỉnh quả dừa): Biên dạng cong ôm chóp quả, gọt sạch phần đầu.
- Dao 3 (cắt đáy quả dừa): Lưỡi dao phẳng/vát, tịnh tiến ngang gọt phẳng phần đáy để tạo mặt đế vững chắc.
+-------------------------------------------------------------------+
| QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG |
| |
| [Gá đặt dừa lên chấu định vị] -> [Bật động cơ: Dừa quay ~290 rpm] |
| | |
| v |
| [Gạt Dao 2 gọt đỉnh] -> [Gạt Dao 1 bào vỏ hông] -> [Gạt Dao 3 gọt phẳng đáy]
| | |
| v |
| [Đưa các dao về vị trí ban đầu] -> [Dừng máy, lấy thành phẩm] |
+-------------------------------------------------------------------+
2. Tính toán động lực học và chọn thiết bị
- Thông số động học đầu vào: Tốc độ quay của chấu định vị $n = 300\text{ vòng/phút}$ ($\approx 5\text{ Hz}$). Bán kính trung bình quả dừa $r = 60\text{ mm} = 0,06\text{ m}$.
- Vận tốc dài tại bề mặt quả dừa:
$$v_{\text{dừa}} = 2 \cdot \pi \cdot f \cdot r = 2 \cdot \pi \cdot 5 \cdot 0,060 = 1,884\text{ m/s}$$
- Mômen xoắn cắt: Với lực cắt lớn nhất ghi nhận qua thực nghiệm $F_t = 58,836\text{ N}$ (Dao 1):
$$T_{\text{cắt}} = F_t \cdot r = 58,836 \cdot 60 = 3530,16\text{ N}\cdot\text{mm} \approx 3,53\text{ N}\cdot\text{m}$$
- Hiệu suất truyền động chung: $\eta = \eta_{\text{bánh răng}} \cdot \eta_{\text{ổ lăn}}^2 = 0,97 \cdot (0,99)^2 \approx 0,95$.
- Lựa chọn động cơ: Đồ án chọn động cơ điện không đồng bộ xoay chiều 3 pha (đấu tụ vận hành nguồn dân dụng), công suất định mức $P = 0,75\text{ kW}$ (1 HP), số vòng quay $n = 1450\text{ vòng/phút}$. Kết hợp hộp giảm tốc trục vít - bánh vít tỉ số truyền $i = 1:5$, tốc độ trục ra dẫn động chấu kẹp đạt $n_{\text{trục}} = 290\text{ vòng/phút}$ (đáp ứng sát dải tính toán 300 vòng/phút).
3. Quy cách vật liệu chế tạo chi tiết máy
| Cụm chi tiết |
Vật liệu thực tế chế tạo |
Vật liệu khuyến nghị sản xuất |
Đặc tính kỹ thuật |
| Khung máy |
Thép hộp CT3 dày 3 mm |
Thép không gỉ (Inox) |
Hàn kết cấu chịu lực, sơn chống gỉ bảo vệ |
| Trục dẫn hướng |
Thép tròn mịn CT3 |
Inox |
Đường kính $\varnothing 20\text{ mm}$ và $\varnothing 18\text{ mm}$, bôi trơn mỡ bò |
| Tam giác đỡ trục |
Thép lá CT3 dày 3 mm |
Inox |
Đỡ 3 trục phân bố đều, cố định độ song song |
| Chấu định vị |
Thép C45 mạ Crôm |
Inox 304 |
Chống mài mòn, truyền mômen quay trực tiếp |
| Con trượt dẫn hướng |
Nhựa khối cứng + LMK16 |
Con trượt tiêu chuẩn Inox |
3 con trượt nhựa cứng và 4 con trượt bi LMK16 (Steel Crom) |
| Lưỡi dao cắt (1, 2, 3) |
Thép hợp kim rèn, tôi cứng |
Thép gió / Thép làm dao chuyên dụng |
Rèn nhiệt luyện tại lò Suối Nghệ, mài góc cắt $\alpha = 20^\circ$ |
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN
Chương này tập trung trình bày tổng quan về nguồn gốc, đặc điểm sinh học cây dừa (Cocos nucifera), phân bố địa lý và số liệu thống kê sản lượng dừa tại Việt Nam và thế giới. Tác giả phân tích cấu trúc quả dừa gồm 3 phần: ngoại quả bì (vỏ ngoài phủ cutin), trung quả bì (vỏ xơ chiếm 35% khối lượng quả, trong đó gồm 30% xơ và 70% bụi xơ) và nội quả bì (gáo, cơm dừa chiếm 25%, nước dừa chiếm 25%). Đồng thời, chương 1 giới thiệu chi tiết 5 giống dừa uống nước phổ biến tại ĐBSCL: Dừa Xiêm xanh (140-150 trái/năm, 7-7,5% đường), Dừa Xiêm đỏ (140-150 trái/năm), Dừa Xiêm lục (150-160 trái/năm, 8-9% đường), Dừa Tam Quan (100-120 trái/năm) và Dừa ẻo nâu (250-300 trái/năm).
Chương 1 tiến hành so sánh 3 phương án thiết kế máy gọt vỏ dừa:
| STT |
Phương án |
Cơ cấu cắt gọt đỉnh / thân / đáy |
Chuyển động tạo hình |
Đánh giá kỹ thuật |
| 1 |
Phương án 1 |
Vít me đai ốc (Đỉnh, Thân); Cần gạt, con trượt (Đáy) |
Cắt chính: Quay quả dừa.
Chạy dao: Tịnh tiến dao/quả dừa |
Cơ cấu phức tạp, chạy dao đều nhưng giá thành cao và khó gia công. |
| 2 |
Phương án 2 (Được chọn) |
Cần gạt, con trượt (Cả 3 cụm đỉnh, thân, đáy) |
Cắt chính: Quay quả dừa.
Chạy dao: Tịnh tiến dao |
Cơ cấu đơn giản, chạy dao đều, dễ chế tạo, không phụ thuộc nguồn khí nén. |
| 3 |
Phương án 3 |
Xylanh khí nén, con trượt (Cả 3 cụm) |
Cắt chính: Quay quả dừa.
Chạy dao: Tịnh tiến dao |
Độ ổn định phụ thuộc nguồn khí nén; chi phí đầu tư cao, cồng kềnh. |
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương này trình bày số liệu khảo sát thực nghiệm kích thước hình học và cơ tính của quả dừa tại chợ Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh. Các mẫu dừa Xiêm xanh và Xiêm đỏ được đo đạc để xác lập khoảng dao động đường kính và chiều cao.
Kết quả đo lực cắt thực nghiệm bằng cân cơ học cho 3 loại dao được tổng hợp như sau:
| Lần thực nghiệm |
Cụm dao công tác |
Lực cắt đo được ($N$) |
Quy đổi lực ($1\text{ kgf} = 9,806\text{ N}$) |
| 1 |
Dao 1 (Cắt bên hông quả dừa) |
$58,836\text{ N}$ |
$6,0\text{ kgf}$ |
| 2 |
Dao 2 (Cắt đỉnh quả dừa) |
$39,224\text{ N}$ |
$4,0\text{ kgf}$ |
| 3 |
Dao 3 (Cắt đáy quả dừa) |
$19,612\text{ N}$ |
$2,0\text{ kgf}$ |
Nội dung lý thuyết đi sâu phân tích góc mài dao $\sigma$, góc đặt dao $\beta$, độ sắc cạnh dao $s \le 100,\mu\text{m}$, vận tốc cắt tối ưu theo Renzik ($v = 35 \div 40\text{ m/s}$) và điều kiện trượt cắt của Goryachkin ($\tau \ge \varphi'$ hoặc $\tau \ge 30^\circ$) để giảm thiểu công cản cắt gọt xơ dừa.
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP
Chương 3 thiết lập các yêu cầu kỹ thuật chi tiết của thiết bị:
- Năng suất gọt đạt 30 trái/giờ.
- Công suất động cơ $\le 5\text{ HP}$ nhằm hạn chế trọng lượng và kích thước máy.
- Gọt sạch vỏ bên hông, tạo chóp đỉnh và cắt phẳng đáy dừa; xử lý được các quả dừa có kích thước sai lệch nhau.
- Cơ cấu chạy dao bằng cần gạt kết hợp con trượt dẫn hướng, truyền động trực tiếp từ động cơ vào chấu định vị dừa.
- Phân tích ưu điểm (dễ chế tạo, giá rẻ, dễ vận hành) và nhược điểm (máy có rung động nhẹ, tốc độ ăn dao phụ thuộc lực đẩy tay).
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY THỬ NGHIỆM
Chương này ghi nhận quá trình thiết kế, gia công và thử nghiệm các chi tiết trên mô hình thực nghiệm:
- Gia công lưỡi dao cắt đỉnh, dao cắt đáy, chấu định vị 3 chấu bằng thép CT3 và tấm tam giác đỡ trục.
- Thử nghiệm lần 1: Sử dụng lưỡi dao gia công từ lưỡi cưa gỗ CD, góc cắt $\alpha = 20^\circ$, động cơ công suất $0,35\text{ kW}$, tốc độ quay $n = 200\text{ vòng/phút}$. Kết quả: Khi dao ăn sâu vào vỏ xơ, mômen cản lớn làm động cơ bị đứng dừng; quả dừa không được gọt sạch, vỏ dừa không thoát ra được gây hiện tượng trượt dao.
- Thử nghiệm lần 2: Thay đổi vật liệu làm dao bằng thép rèn và tôi cứng tại Lò rèn xã Suối Nghệ (Bà Rịa – Vũng Tàu), giữ nguyên góc cắt $\alpha = 20^\circ$, nâng công suất động cơ lên $0,75\text{ kW}$ (1 HP), số vòng quay $n = 300\text{ vòng/phút}$. Kết quả: Quả dừa được gọt sạch tương đối, động cơ chạy êm không bị kẹt.
- Kết luận thông số chuẩn: Động cơ 1 HP ($0,75\text{ kW}$), tốc độ $n = 300\text{ vòng/phút}$, lưỡi dao thép tôi cứng, mỏng, góc cắt $\alpha = 20^\circ$.
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HOÀN CHỈNH MÁY GỌT VỎ DỪA TƯƠI
(Lưu ý: Trong văn bản nguồn, chương này mang tiêu đề Thiết kế hoàn chỉnh máy gọt vỏ dừa tươi và phần Kết luận - Kiến nghị được đánh số tiếp theo là Chương 5/Kết luận)
- Tiến hành tính toán chi tiết động cơ 3 pha $0,75\text{ kW}$, $1450\text{ vòng/phút}$, hộp giảm tốc $1:5$ cho tốc độ $290\text{ vòng/phút}$, vận tốc dài bề mặt dừa $1,884\text{ m/s}$.
- Lựa chọn con trượt tiêu chuẩn LMK16 (đường kính trong $16\text{ mm}$, đường kính ngoài $28\text{ mm}$, mặt bích $48\text{ mm}$, chiều dài $37\text{ mm}$) lắp trên trục $\varnothing 20$ và $\varnothing 18\text{ mm}$.
- Chế tạo khung máy bằng thép hộp CT3 dày 3 mm sơn chống gỉ, chấu định vị bằng thép C45 mạ Crôm, 3 cụm gá dao hoàn chỉnh và lắp ráp tổng thành máy.
Kết quả và đóng góp
1. Kết quả chính đạt được
- Thông số kỹ thuật của máy hoàn thiện:
- Động cơ điện: 3 pha $380\text{V}$ (đấu tụ khởi động nguồn $220\text{V}$ dân dụng), công suất $0,75\text{ kW}$ (1 HP), tốc độ $1450\text{ vòng/phút}$.
- Hộp giảm tốc: Tỉ số truyền $1:5$, cho tốc độ quay chấu kẹp đạt $290\text{ vòng/phút}$.
- Góc cắt lưỡi dao: $\alpha = 20^\circ$.
- Năng suất thực tế: Đạt 30 quả/giờ.
- Hiệu quả gọt vỏ: Gọt sạch đến 90% lớp vỏ xơ bên ngoài quả dừa, tạo hình chóp đỉnh đồng đều và đáy cắt phẳng vững chắc.
- Xác định thông số cơ tính vật liệu dừa: Đồ án đã lượng hóa chính xác lực cản cắt của quả dừa tươi với các lưỡi dao chuyên dụng: $58,836\text{ N}$ (dao hông), $39,224\text{ N}$ (dao đỉnh) và $19,612\text{ N}$ (dao đáy).
2. Giải pháp và kiến nghị của tác giả
- Để ứng dụng vào quy mô sản xuất công nghiệp hoặc thương mại hóa, toàn bộ các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với quả dừa (chấu kẹp định vị) và khung sườn máy cần được chế tạo bằng thép không gỉ (Inox) thay cho thép CT3 và C45 nhằm đảm bảo độ bền, chống ăn mòn và tuân thủ các quy định vệ sinh an toàn thực phẩm.
- Khuyến nghị thường xuyên tra mỡ bò bôi trơn các trục dẫn hướng $\varnothing 20$ và $\varnothing 18\text{ mm}$ do vật liệu thép CT3 dễ bị oxy hóa trong môi trường làm việc ẩm ướt.
3. Đóng góp của đề tài
- So với các nghiên cứu và máy gọt vỏ dừa nhập khẩu từ Thái Lan hoặc các hệ thống dùng vít me/khí nén tự động phức tạp trên thị trường, đề tài đã đưa ra một giải pháp kết cấu đơn giản hóa (cần gạt - con trượt cơ khí), giảm giá thành chế tạo, dễ sửa chữa thay thế linh kiện nhưng vẫn đảm bảo năng suất gọt 30 trái/giờ.
- Ứng dụng thành công lý thuyết cắt trượt của Goryachkin vào việc thiết kế biên dạng dao cắt cong nông sản có nhiều xơ, xác lập góc cắt tối ưu $\alpha = 20^\circ$ qua 2 giai đoạn thử nghiệm thực tế.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế ghi nhận trong văn bản
- Độ ổn định động học: Máy vẫn còn xuất hiện hiện tượng rung động nhẹ trong quá trình cắt gọt khi dừa quay ở tốc độ cao.
- Độ đồng đều lát cắt: Do sử dụng cơ cấu tịnh tiến dao bằng cần gạt thủ công, chuyển động ăn dao đều hay không và độ dày lát cắt còn phụ thuộc trực tiếp vào lực tay và kinh nghiệm của người vận hành.
- Hệ thống thoát phoi/vỏ dừa: Cơ cấu thoát các dải xơ dừa sau khi bị cắt gọt chưa được thiết kế triệt để, phoi xơ đôi khi bị cuốn hoặc kẹt lại gây trượt dao trong quá trình cắt.
- Vật liệu chế tạo mô hình: Do điều kiện kinh phí chế tạo thử nghiệm, khung máy và trục dẫn hướng sử dụng thép CT3, chấu định vị dùng thép C45 mạ Crôm nên vẫn có hiện tượng rỉ sét bề mặt nếu không bảo dưỡng thường xuyên.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Nâng cấp thay thế vật liệu toàn bộ kết cấu tiếp xúc bằng Inox 304 để đáp ứng tiêu chuẩn an toàn thực phẩm.
- Thiết kế bổ sung cơ cấu thu gom và thoát vỏ xơ dừa tự động ra khỏi vùng cắt.
- Cải tiến cơ cấu cấp tiến dao sang dạng bán tự động hoặc tự động hóa hành trình cắt nhằm ổn định năng suất và chất lượng bề mặt cắt gọt, không phụ thuộc vào lực đẩy tay của người thao tác.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng sau:
- Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Công nghệ Chế tạo máy, Máy sau thu hoạch và Chế biến thực phẩm: Tham khảo quy trình tính toán lực cắt nông sản có xơ, phương pháp thiết kế dao định hình cho vật liệu sinh học và bài toán tính chọn công suất động cơ qua hộp giảm tốc.
- Kỹ sư thiết kế máy nông nghiệp và chế biến rau củ quả: Tham khảo các bản vẽ 2D/3D chi tiết (chấu định vị tự tâm, tam giác đỡ trục, đồ gá dao cong, cụm trượt dẫn hướng LMK16) và các thông số thực nghiệm về vận tốc cắt dừa ($v = 1,884\text{ m/s}$ tại $290\text{ v/ph}$).
- Các cơ sở kinh doanh, hợp tác xã sơ chế dừa tươi: Tham khảo nguyên lý cấu tạo máy gọt vỏ dừa bán tự động chi phí thấp để tự chế tạo, ứng dụng vào quy trình sản xuất thực tế nhằm thay thế thao tác gọt dao thủ công.
Câu hỏi thường gặp
1. Lực cắt lớn nhất cần thiết để gọt vỏ quả dừa tươi được xác định bằng bao nhiêu và thuộc về cụm dao nào?
Qua thực nghiệm đo đạc bằng cân cơ học (với $1\text{ kgf} = 9,806\text{ N}$), lực cắt lớn nhất ghi nhận được là $58,836\text{ N}$ (tương đương $6\text{ kgf}$), xuất hiện ở Dao 1 khi thực hiện công đoạn bào vỏ xơ bên hông quả dừa. Lực cắt ở Dao 2 (cắt đỉnh) là $39,224\text{ N}$ ($4\text{ kgf}$) và Dao 3 (cắt đáy) là $19,612\text{ N}$ ($2\text{ kgf}$).
2. Thông số kỹ thuật của động cơ điện và hệ thống truyền động chính của máy được lựa chọn như thế nào?
Máy sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha (đấu tụ vận hành lưới điện dân dụng), công suất định mức $P = 0,75\text{ kW}$ (1 HP), tốc độ quay $1450\text{ vòng/phút}$. Trục động cơ truyền qua hộp giảm tốc trục vít có tỉ số truyền $i = 1:5$, giúp giảm tốc độ quay của chấu định vị dừa xuống còn $290\text{ vòng/phút}$ (đáp ứng thông số tính toán tối ưu $300\text{ vòng/phút}$).
3. Tại sao trong lần thử nghiệm thứ nhất máy không hoạt động thành công và nhóm tác giả đã khắc phục ra sao?
Trong lần thử nghiệm 1, máy sử dụng lưỡi dao làm từ lưỡi cưa gỗ CD, góc cắt $\alpha = 20^\circ$, động cơ công suất nhỏ $0,35\text{ kW}$ và tốc độ $n = 200\text{ vòng/phút}$. Khi dao ăn sâu vào lớp xơ dừa dai, lực cản cắt vượt quá mômen động cơ khiến máy bị đứng, vỏ dừa không thoát được làm trượt dao. Nhóm tác giả đã khắc phục ở lần thử nghiệm 2 bằng cách nâng công suất động cơ lên $0,75\text{ kW}$ (1 HP), tăng tốc độ lên $300\text{ vòng/phút}$ và thay vật liệu dao bằng thép được rèn, tôi cứng chuyên dụng tại Lò rèn Suối Nghệ (Bà Rịa – Vũng Tàu).
4. Máy sử dụng phương án kết cấu chạy dao nào để gọt đỉnh, thân và đáy dừa?
Máy sử dụng Phương án 2: Cần gạt kết hợp con trượt dẫn hướng cho cả 3 cụm dao (cắt đỉnh, cắt hông và cắt phẳng đáy). Chuyển động cắt chính là chuyển động quay tròn của quả dừa trên chấu kẹp; chuyển động chạy dao là chuyển động tịnh tiến của các lưỡi dao vào bề mặt dừa thông qua tay gạt cưỡng bức của người vận hành trượt trên các trục dẫn hướng $\varnothing 20$ và $\varnothing 18\text{ mm}$ cùng bạc trượt LMK16.
5. Vật liệu thực tế chế tạo các chi tiết chính trong đồ án là gì và có lưu ý gì khi bảo dưỡng?
Mô hình thực tế sử dụng thép hộp CT3 dày 3 mm để hàn khung máy, thép lá CT3 dày 3 mm làm tam giác đỡ trục, thép tròn CT3 làm trục trượt, thép C45 mạ Crôm làm chấu định vị và thép rèn tôi cứng làm lưỡi dao. Do thép CT3 và C45 dễ bị oxy hóa trong môi trường có nước dừa và độ ẩm cao, người vận hành cần thường xuyên bôi mỡ bò bảo dưỡng trục trượt và sơn phủ chống gỉ cho khung thân máy.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo máy gọt vỏ dừa tươi" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ khí hóa khâu sơ chế dừa tươi bán tự động. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa cơ sở lý thuyết cắt trượt nông sản và các bước thử nghiệm thực tế, đề tài đã xác lập được bộ thông số công nghệ tối ưu (động cơ 1 HP, vận tốc quay chấu kẹp 290 vòng/phút, góc cắt dao $\alpha = 20^\circ$). Thiết bị chế tạo hoàn chỉnh đạt năng suất 30 trái/giờ với tỉ lệ gọt sạch vỏ đạt khoảng 90%, mang lại giải pháp kỹ thuật đơn giản, kinh tế và có khả năng ứng dụng thực tiễn cao cho các cơ sở chế biến dừa vừa và nhỏ.
